牙科备牙手术模拟方法及装置与流程

本发明涉及医学技术领域，具体而言，涉及一种牙科备牙手术模拟方法及装置。

背景技术：

从手术发展趋势来看，手术仿真越来越成为未来手术的一个重要方面。手术仿真不仅可以进行手术术前规划，还可仿真手术中的每一个步骤，从而减少手术的时间和风险。同时，成熟的手术仿真系统还可应用到对实习医生的牙科技能培训中，而传统的牙科技能培训在成本、可用性和缺乏现实世界的情况等方面均存在不足。因此，提供一种牙科手术模拟系统以使得牙科医生对手术进行仿真训练是十分必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种牙科备牙手术模拟方法，实现了医生对牙科手术进行仿真训练，以营造逼真的实际手术环境，提高医生的实际操作技能，同时节约训练成本。

本发明的另一目的在于提供一种牙科备牙手术模拟装置，实现了医生对牙科手术进行仿真训练，以营造逼真的实际手术环境，提高医生的实际操作技能，同时节约训练成本。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种牙科备牙手术模拟方法，应用于电子设备，所述电子设备与力反馈仪连接，所述方法包括：

响应用户对所述力反馈仪移动的操作控制手术器械模型移动；

检测牙齿模型和所述手术器械模型是否发生碰撞；

若所述牙齿模型和所述手术器械模型发生碰撞，则响应用户的操作切割所述牙齿模型发生碰撞的部分，根据预设的参数计算碰撞产生的力，将计算出的碰撞产生的力发送至所述力反馈仪以便于所述力反馈仪还原碰撞产生的力以让用户实时感知。

第二方面，本发明实施例还提供了一种牙科备牙手术模拟装置，应用于电子设备，所述电子设备与力反馈仪连接，所述装置包括：

移动模块，用于响应用户对所述力反馈仪移动的操作控制手术器械模型移动；

检测模块，用于检测牙齿模型和所述手术器械模型是否发生碰撞；

计算模块，用于若所述牙齿模型和所述手术器械模型发生碰撞，则响应用户的操作切割所述牙齿模型发生碰撞的部分，根据预设的参数计算碰撞产生的力，将计算出的碰撞产生的力发送至所述力反馈仪以便于所述力反馈仪还原碰撞产生的力以让用户实时感知。

本发明实施例提供的一种牙科备牙手术模拟方法及装置，该牙科备牙手术模拟方法及装置均应用于电子设备，该电子设备与力反馈仪连接。该牙科备牙手术模拟方法包括响应用户对所述力反馈仪移动的操作控制手术器械模型移动，检测牙齿模型和所述手术器械模型是否发生碰撞，若所述牙齿模型和所述手术器械模型发生碰撞，则响应用户的操作切割所述牙齿模型发生碰撞的部分，同时，根据预设的参数计算碰撞产生的力，将计算出的碰撞产生的力发送至所述力反馈仪以便于所述力反馈仪还原碰撞产生的力以让用户实时感知。通过本方案实现为牙科医生提供了手术仿真训练，以提高了实际手术操作节能，同时节约了牙科医生平时训练的成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的一种牙科备牙手术模拟方法的流程示意图。

图2示出了本发明实施例提供的另一种牙科备牙手术模拟方法的流程示意图。

图3示出了本发明实施例提供的一种建立的牙齿模型的结构示意图。

图4示出了本发明实施例提供的一种建立的手术器械模型的结构示意图。

图5示出了本发明实施例提供的一种网格模型包裹一颗牙齿的示意图。

图6示出了本发明实施例提供的一种矩形框包围牙齿模型以及手术器械模型的示意图。

图7示出了本发明实施例提供的另一种牙科备牙手术模拟方法的子步骤的流程示意图。

图8示出了本发明实施例提供的二维的牙齿模型和手术器械模型投影示意图。

图9示出了本发明实施例提供的一种牙齿模型和手术器械模型的结构示意图。

图10示出了本发明实施例提供的一种切割牙齿模型的示意图。

图11示出了本发明实施例提供的另一种切割牙齿模型的示意图。

图12示出了本发明实施例提供的一种牙科备牙手术模拟装置的功能模块示意图。

图示：100-牙科备牙手术模拟装置；110-第一建立模块；120-第二建立模块；130-第三建立模块；140-移动模块；150-检测模块；160-计算模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

通常牙科医生使用塑料牙齿和使用真正的牙科仪器来练习腔体准备和其他牙科手术，但是，塑料牙齿缺乏准确模拟真实牙齿和手术所必须注意的细节和材料性能，同时，提供一整套塑料牙齿进行牙科培训极大地增加了供应成本。传统的牙科培训主要基于患者的牙齿、人造牙齿模型以及临床实践，这些传统的牙科培训方法只能针对普遍牙科案例，对临床环境中的罕见病例不能够很好地分析。因此，本发明实施例提供一种于仿真开源框架(simulationopenframeworkarchitecture，sofa)的牙科备牙手术模拟方法，该牙科备牙手术模拟方法主要应用于电子设备，即该电子设备上应用sofa，同时该电子设备与力反馈仪连接，该电子设备和力反馈仪共同使用以实现牙科备牙手术模拟方法。在本发明实施例中，该力反馈仪的型号为omniphantomtm，但不限于此，还可以为其他能实现相同功能的力反馈仪。该电子设备可以是，但不限于，台式电脑、笔记本电脑或平板电脑。通过本发明实施例提供的牙科备牙手术模拟方法可以方便牙科医生在电子设备上实时模拟牙科手术，能实时模拟各种不同的牙齿手术情况，锻炼了牙科医生实际操作技能，提高了对实际患者进行牙科手术的成功率，同时避免使用患者的牙齿或牙齿模型进行训练，节约了成本。

该电子设备包含两个独立的循环，即通过并行线程分别控制实现，该两个独立的循环包括触觉循环和视觉循环。其中，视觉循环指指牙科备牙手术模拟方法中的多个模型，该多个模型包括牙齿模型以及手术器械模型，保持30hz的图形渲染，因为人的眼睛具有视觉暂留性，高于1/24s的更新频率则认为连续。此外，触觉循环始终保持1khz的稳定更新频率，进而实现视觉循环和触觉循环同步运行，以实现用户同步感知视觉和触觉，提高用户体验感。

如图1所示，是本发明实施例提供的一种牙科备牙手术模拟方法的流程示意图，该牙科备牙手术模拟方法包括：

步骤s110，关联手术器械模型和所述力反馈仪。

该手术器械模型是参照实际手术器械的外形特征，通过在电子设备上建模形成的，通过关联手术器械模型以及力反馈仪，使得用户通过移动力反馈仪即可操控手术器械模型在电子设备的屏幕上移动，增强了人机交互，提高了用户体验感。

步骤s120，响应用户对所述力反馈仪移动的操作控制手术器械模型的移动。

由于将该手术器械模型和力反馈仪进行了关联，则用户可根据手术的需要移动力反馈仪，用户对力反馈仪的操作显示为手术器械模型在电子设备的屏幕中的移动，即用户可以通过移动力反馈仪，进而控制手术器械模型移动。

步骤s130，检测牙齿模型和所述手术器械模型是否发生碰撞。

该牙齿模型的建立方式为：通过采集多幅锥形束ct(conebeamct，cbct)图像，对采集的多幅cbct图像进行分割及分析后，通过商业软件建模形成牙齿模型。由于用户可以移动力反馈仪进而控制手术器械模型移动，当用户控制手术器械模型移动至与牙齿模型相隔距离小于预设阈值，则手术器械模型和牙齿模型发生碰撞。

当该牙齿模型和手术器械模型发生碰撞时，则执行步骤s140，响应用户的操作切割所述牙齿模型发生碰撞的部分，根据预设的参数计算碰撞产生的力，将计算出的碰撞产生的力发送至所述力反馈仪以便于所述力反馈仪还原碰撞产生的力以让用户实时感知。

当牙齿模型和手术器械模型发生碰撞时，用户可以移动力反馈仪进而控制手术器械模型切割牙齿模型中发生碰撞的部分。同时，根据预设的参数，如该牙齿模型中牙齿的硬度、该手术器械模型接触牙齿模型的碰撞程度(手术器械模型与牙齿模型接触的深度)，计算碰撞产生的力，同时将碰撞产生的力发送至力反馈仪，该力反馈仪还原该碰撞产生的力以便于用户能实时感知控制手术器械模型切割牙齿模型的过程中的力的程度，以使得具有更好地体验，提高了训练效果。

当该牙齿模型和手术器械模型没有发生碰撞时，则表明用户还没有开始进行牙科手术的模拟训练。

如图2所示，是本发明实施例提供的另一种牙科备牙手术模拟方法的流程图，该牙科备牙手术模拟方法包括：

步骤s210，建立牙齿模型以及手术器械模型。

该牙齿模型的建立方式为：通过采集多幅锥形束ct(conebeamct，cbct)图像，对采集的多幅cbct图像进行分割及分析后，通过商业软件建模形成牙齿模型。同时，为了使牙齿模型具有更加逼真的效果，可以对牙齿模型进行渲染，如对牙齿模型进行阴影设置或纹理设置等图片处理等，如图3所示，是本发明实施例提供的一种建立的牙齿模型的结构示意图。该手术器械模型的建立方式为：通过采集真实的实际手术器械的外形特征，进而利用建模软件建立手术器械模型，如图4所示，是本发明实施例提供的一种建立的手术器械模型的结构示意图。

步骤s220，建立网格模型，所述网格模型用于包裹所述牙齿模型的每一颗牙齿。

通过有限元建模的方式建立网格模型，该有限元建模源于连续力学方程，可以量化模拟精度，同时模型的参数可以从实际对象中获取。若网格模型设置得太精密，即网格模型中的网格过于密集，则将导致实时性差，若网格模型设置得太粗糙，即网格模型中的网格过于稀疏，则将导致较差的视觉效果，因此，在本发明实施例中，该网格模型中的网格设置较为适中，如图5所示，是本发明实施例提供的一种网格模型包裹一颗牙齿的示意图。容易理解的，该网格模型中的网格大小及数量可以根据实际需要进行设置。

步骤s230，建立多个矩形框，所述矩形框用于包围所述网格模型包裹的所述牙齿模型中的每一颗牙齿以及所述矩形框用于包围所述手术器械模型。

建立多个矩形框，由于该牙齿模型中的每一颗牙齿均被网格模型包裹，因此对于被网格模型包裹的每一颗牙齿再被矩形框包围。同时，该矩形框还用于包围该手术器械模型，如图6所示，是本发明实施例提供的一种矩形框包围牙齿模型以及手术器械模型的示意图。

步骤s240，关联手术器械模型和所述力反馈仪。

该手术器械模型是参照实际手术器械的外形特征，通过在电子设备上建模形成的，通过关联手术器械模型以及力反馈仪，使得用户通过移动力反馈仪即可操控手术器械模型在电子设备的屏幕上移动，增强了人机交互，提高了用户体验感。

步骤s250，响应用户对所述力反馈仪移动的操作控制手术器械模型移动。

由于将该手术器械模型和力反馈仪进行了关联，则用户可根据手术的需要移动力反馈仪，用户对力反馈仪的操作显示为手术器械模型在电子设备的屏幕中的移动，即用户可以通过移动力反馈仪，进而控制手术器械模型移动。

步骤s260，检测所述牙齿模型的每一颗牙齿的矩形框与所述手术器械模型的矩形框是否交叉。

由于用户可以控制手术器械模型的移动，当用户进行牙科手术模拟的时候，用户可以移动手术器械模型至牙科模型处，致使牙科模型的矩形框和手术器械模型的矩形框交叉，以进行牙科手术模拟，若牙科模型的矩形框和手术器械模型的矩形框未交叉，则表明牙科模拟手术还没有开始进行。

如图7所示，是本发明实施例提供的一种牙科备牙手术模拟方法的步骤s260的子步骤的流程示意图。该步骤s260包括：

步骤s261，计算所述牙齿模型的每一颗牙齿的矩形框分别在空间直角坐标系的x轴和y轴的第一投影区域。

该牙齿模型为三维模型，此处以二维举例，对于牙齿模型等三维模型做类似理解。如图8所示，是本发明实施例提供的二维的牙齿模型和手术器械模型投影示意图。该牙齿模型每一颗牙齿的矩形框标记为a，矩形框a在空间直角坐标系的x轴和y轴的第一投影区域分别为：x1～x2以及y2～y1。

步骤s262，计算所述手术器械模型的矩形框分别在空间直角坐标系的x轴和y轴的第二投影区域。

该手术器械模型为三维模型，此处以二维举例，对于手术器械模型等三维模型做类似理解。如图8所示，是本发明实施例提供的二维的牙齿模型和手术器械模型投影示意图。该手术器械模型的矩形框标记为b，矩形框b在空间直角坐标系的x轴和y轴的第二投影区域分别为：x3～x4以及y4～y3。

步骤s263，若所述第一投影区域和所述第二投影区域重叠，则所述牙齿模型的矩形框与所述手术器械模型的矩形框交叉。

如图8所示，是本发明实施例提供的二维的牙齿模型和手术器械模型投影示意图，矩形框a和矩形框b在x轴的重叠区域为x3～x2，矩形框a和矩形框b在y轴的重叠区域为y3～y2，表明第一投影区域和第二投影区域重叠，则牙齿模型的矩形框与手术器械模型的矩形框交叉。若矩形框a和矩形框b的第一投影区域和第二投影区域没有重叠区域，或只在x轴或y轴有重叠区域，则表明该牙齿模型的矩形框与手术器械模型的矩形框不交叉。

若牙齿模型的矩形框与手术器械模型的矩形框交叉，则执行步骤s270，计算所述手术器械模型的矩形框上的点至所述牙齿模型的网格模型的顶点的距离值，若所述距离值小于预设阈值，则所述牙齿模型和所述手术器械模型发生碰撞。

当牙齿模型的矩形框和手术器械模型的矩形框交叉时，则计算手术器械模型的矩形框上的点至牙齿模型的网格模型顶点的距离值，该网格模型的顶点为每一个网格中标记的点，当所述距离值中的其中一个距离值小于预设阈值，则牙齿模型和手术器械模型发生了碰撞。

步骤s280，响应用户的操作切割所述牙齿模型发生碰撞的部分，根据预设的参数计算碰撞产生的力，将计算出的碰撞产生的力发送至所述力反馈仪以便于所述力反馈仪还原碰撞产生的力以让用户实时感知。

该牙齿模型发生碰撞的部分为牙齿模型的矩形框与手术器械模型的矩形框交叉部分内包含的网格模型，当牙齿模型和手术器械模型发生碰撞时，用户可以移动力反馈仪进而控制手术器械模型切割牙齿模型中发生碰撞的部分。同时，根据预设的参数，如该牙齿模型中牙齿的硬度、该手术器械模型接触牙齿模型的碰撞程度(手术器械模型与牙齿模型接触的深度)，计算碰撞产生的力，同时将碰撞产生的力发送至力反馈仪，该力反馈仪还原该碰撞产生的力以便于用户能实时感知控制手术器械模型切割牙齿模型的过程中的力的程度，以使得具有更好地体验，提高了训练效果。

如图9所示，是本发明实施例提供一种牙齿模型和手术器械模型的结构示意图，该牙齿模型中深色部分用于表征包裹牙齿的网格模型。如图10所示，是本发明实施例提供的一种切割牙齿模型的示意图，当用户控制手术器械模型与牙齿模型中的其中一颗牙齿发生碰撞，即手术器械模型与牙齿模型接触后，牙齿模型与手术器械模型碰撞部分的网格模型被切割。如图11所示，是本发明实施例提供的另一种切割牙齿模型的示意图，该牙齿模型的网格模型部分被完全切割。此处只给出牙科手术中备牙的举例，容易理解的，该牙科备牙手术模拟方法还适用于其他牙科手术类型。

如图12所示，是本发明实施例提供的一种牙科备牙手术模拟装置100的功能模块示意图，该牙科备牙手术模拟装置100应用于电子设备上，该牙科备牙手术模拟装置100包括第一建立模块110、第二建立模块120、第三建立模块130、移动模块140、检测模块150以及计算模块160，其中：

第一建立模块110，用于建立牙齿模型以及手术器械模型。

在本发明实施例中，步骤s210可以由第一建立模块110执行。

第二建立模块120，用于建立网格模型，所述网格模型用于包裹所述牙齿模型中的每一颗牙齿。

在本发明实施例中，步骤s220可以由第二建立模块120执行。

第三建立模块130，用于建立多个矩形框，所述矩形框用于包围由所述网格模型包裹的所述牙齿模型中的每一颗牙齿以及所述矩形框用于包围所述手术器械模型。

在本发明实施例中，步骤s230可以由第三建立模块130执行。

移动模块140，用于响应用户对所述力反馈仪移动的操作控制手术器械模型移动。

在本发明实施例中，步骤s250和步骤s120可以由移动模块140执行。

检测模块150，用于检测牙齿模型和所述手术器械模型是否发生碰撞。

在本发明实施例中，步骤s130、步骤s260、s270、s261～263可以由检测模块150执行。

计算模块160，用于若所述牙齿模型和所述手术器械模型发生碰撞，则响应用户的操作切割所述牙齿模型发生碰撞的部分，根据预设的参数计算碰撞产生的力，将计算出的碰撞产生的力发送至所述力反馈仪以便于所述力反馈仪还原碰撞产生的力以让用户实时感知。

在本发明实施例中，步骤s140和步骤s280可以由计算模块160执行。

由于在牙科备牙手术模拟方法部分已经详细描述，在此不再赘述。

综上所述，本发明实施例提供的一种牙科备牙手术模拟方法及装置，该牙科备牙手术模拟方法及装置均应用于电子设备，该电子设备与力反馈仪连接。该牙科备牙手术模拟方法包括响应用户对所述力反馈仪移动的操作控制手术器械模型移动，检测牙齿模型和所述手术器械模型是否发生碰撞，若所述牙齿模型和所述手术器械模型发生碰撞，则响应用户的操作切割所述牙齿模型发生碰撞的部分，同时，根据预设的参数计算碰撞产生的力，将计算出的碰撞产生的力发送至所述力反馈仪以便于所述力反馈仪还原碰撞产生的力以让用户实时感知。通过本方案实现为牙科医生提供了手术仿真训练，以提高了实际手术操作节能，同时节约了牙科医生平时训练的成本。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。